Въведение
Лимонената киселина е широко използвана трикарбоксилна киселина, която се среща в хранителната, фармацевтичната и козметичната промишленост, както и в химически приложения като хелатиращи агенти и синтез на биополимери. Тъй като тя често е изложена на повишени температури по време на преработката и съхранението, точното разбиране на нейната термична стабилност, поведението ѝ при дехидратация и пътя на разграждане е от съществено значение за избягване на нежелана загуба на активни вещества или отделяне на газообразни продукти на разграждане. Едновременният термичен анализ, съчетан с анализ на отделените газове, предоставя мощен инструмент за характеризиране не само на загубата на маса и свързаните с нея топлинни ефекти, но и на химичната идентичност на отделените летливи вещества, което позволява надеждна и недвусмислена интерпретация на основните термични процеси.
Условия за измерване
Таблица 1: Условия за измерване
| Уред | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Проба | Лимонена киселина |
| Маса на пробата | 14 mg |
| Температурен диапазон | 30 – 400 °C |
| Скорост на нагряване | 20 K/min |
| Атмосфера | N2, 70 мл/мин |
| Тигел | Pt, 85 μl с перфориран капак |
Резултати и обсъждане
Кривата TGA-DSC на фигура 1 показва многоетапно термично поведение на лимонената киселина.
До приблизително 100 °C се наблюдава загуба на маса от 4,2 % по метода „ small “, придружена от широк ендотермичен сигнал при DSC с максимална температура 59 °C и пик при DTG при 66 °C. Този етап се дължи на отделянето на кристална вода.
При 150 °C кривата на DSC показва остър ендотермичен връх, който е резултат от топенето на лимонената киселина. Над тази температура материалът навлиза в зоната на термично разграждане. Основната фаза на разлагане протича между приблизително 190 °C и 240 °C и води до значителна загуба на маса от 90,8 %. Кривата на DTG показва максимална скорост на разлагане при 221 °C, докато кривата на DSC показва силен ендотермичен пик при 223 °C. Това тясно съответствие между DTG и DSC потвърждава, че процесът с най-голяма загуба на маса е пряко свързан с ендотермична реакция на разлагане.
Данните от TGA-DSC предоставят ясна информация за температурния диапазон, загубата на маса и термичния характер на събитията. Тези данни обаче сами по себе си не могат да Identify рат химичната природа на отделените газове. По тази причина е от съществено значение термичният анализ да се съчетае с FT-IR спектроскопия на фазата на отделения газ. FT-IR спектърът, записан при 60 °C, съответстващ на първия етап на загуба на маса, показва характерната ротационно-вибрационна фина структура на газообразната вода в областите около 3500–4000 cm⁻¹ и 1300–2000 cm⁻¹, което потвърждава, че първоначалната загуба на маса при ниска температура се дължи на физически или слабо свързана вода, а не на каквато и да е реакция на разлагане, виж фигура 2. За разлика от това, FT-IR спектърът, записан при 220 °C, който съответства на основния етап на загуба на маса, разкрива две доминиращи абсорбционни характеристики: дублетна лента в диапазона 2300–2360 см⁻¹, характерна за въглеродния диоксид, и силна, рязка лента в диапазона 1750–1800 см⁻¹, приписвана на вибрациите на разтягане на карбонилната група. Тези сигнали показват, че основната фаза на разлагане се дължи на декарбоксилирането на молекулата на лимонената киселина, придружено от едновременно образуване на фрагменти, съдържащи карбонилни групи.
Обобщение
Термичната характеристика на лимонената киселина чрез едновременен TGA-DSC, съчетан с FT-IR анализ в газова фаза, разкрива триетапен термичен профил, състоящ се от първоначална загуба на остатъчна влага, топене и значително разлагане, предизвикано от декарбоксилиране, при температура над приблизително 200 °C. Съчетаването на данните от термичния анализ с тези за отделените газове, получени чрез FT-IR, се оказа от съществено значение за правилното отнасяне на всяко термично събитие към конкретен физичен или химичен процес, като предостави солидна основа за определяне на безопасни граници на температурата при преработка и съхранение на лимонената киселина в промишлени приложения.